آجر نسوز منیزیت کرومیتی و بررسی اثر ZrO2 بر خواص آن

آجر نسوز منیزیت کرومیتی و اثر افزودن ZrO2 در خواص فیزیکی و مقاومت به خوردگی سرباره گاززدایی RH در این مقاله مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان می‌دهد که حضور افزودنی ZrO2، چگالی نمونه‌های  آجر نسوز منیزیت کرومیتی را تا حد زیادی به دلیل ارتقای فعالیت‌های مرزی دانه و در نهایت تشکیل پیوند مستقیم افزایش می‌دهد. به طور همزمان، خواص مکانیکی در دمای بالا و مقاومت در برابر خوردگی در این آزمایش بهبود می یابد. نتایج همچنین نشان می‌دهد که در سیستم سرباره گاززدایی RH با نسبت کلسیم به سیلیس بالا، رفتار مقاومت سرباره کامپوزیت  آجر نسوز منیزیت کرومیتی با ZrO2 اضافه شده را می‌توان به صورت زیر توصیف کرد: ZrO2 با CaO واکنش می‌دهد تا ترکیب CaZrO3 را تشکیل دهد. نوعی ترکیب می‌تواند عملکرد مقاومت در برابر خوردگی را با کور کردن منافذ افزایش دهد و واکنش همچنین می‌تواند ویسکوزیته سرباره را ضخیم کند، انتظار می‌رود که دلیل اصلی بهبود مقاومت به خوردگی آجر نسوز منیزیت کرومیتی با افزودن ZrO2 باشد.

معرفی

آجر نسوز منیزیت کرومیتی به دلیل پایداری در دمای بالا، انبساط حرارتی نسبتاً کم و مقاومت در برابر سرباره‌های متالورژیکی شناخته شده بودند. بنابراین، این نوع دیرگداز یکی از مهم ترین دیرگدازهایی بود که با موفقیت در کوره های پالایش ثانویه مورد استفاده قرار گرفت. با این حال، با توسعه و پیشرفت فنی صنعت متالورژی، آجر نسوز منیزیت کرومیتی متراکم با مقاومت در برابر خوردگی سرباره قوی‌تر مورد نیاز است و مطالعاتی در این زمینه انجام شده است. این مطالعات نشان داد که خواص و مقاومت به خوردگی سرباره آجر نسوز منیزیت کرومیتی را می توان با افزودن برخی از مواد افزودنی بهبود بخشید و رابطه بین محتوای افزودنی و خواص و رفتار مقاومت به خوردگی سرباره دیرگداز همبستگی قوی نشان داده است. از آنجایی که ZrO2 دارای خواص عالی در دمای بالا مانند خنثی بودن شیمیایی، فشار بخار اشباع کم، و عملکرد عالی مقاومت در برابر سایش در دماهای بالا است [2]. در این مطالعه، نتایج اثر افزودنی ZrO2 بر خواص و رفتار مقاومت به خوردگی سرباره آجر نسوز منیزیت کرومیتی مورد بررسی قرار گرفت. چگالی ظاهری، تخلخل ظاهری، استحکام خرد شدن سرد، و مدول داغ گسیختگی نمونه‌های آجر نسوز منیزیت کرومیتی پس از تف جوشی (زینترینگ) تعیین شد. رفتار مقاومت به خوردگی آجر نسوز منیزیت کرومیتی در سرباره گاززدا RH به روش بوته بررسی شد.

رویه آزمایشی

آجر نسوز منیزیت کرومیتی ذوب شده (دانه بندی به ترتیب 4.0~2.0mm، 2.0~1.0mm و ≤0.088mm)، منیزیم تف جوشی شده (زینتر شده)، سنگ معدن کروم و ZrO2 (جرم ZrO2 کمتر از 98.50 درصد، دانه بندی 5μm استفاده شد). مواد در این مطالعه جزئیات ناخالصی ها در هر دو ماده خام در جدول 1 فهرست شده است. دسته های حاوی منیزیم و سنگ معدن کروم به گونه ای وزن شدند که محصول نهایی حاوی %20.0 جرمی Cr2O3 باشد. افزودنی های ZrO2 از 1.5 تا 3.0 درصد جرمی به دسته ها اضافه شد. این مواد خام با توجه به توزیع اندازه ذرات معین به صورت دسته‌بندی و مخلوط شدند. ترکیبات نمونه ها در جدول 2 فهرست شده است. بریکت ها با اندازه 80 میلی متر × 80 میلی متر × 65 میلی متر تحت فشار 200 مگاپاسکال به مدت 1 دقیقه پرس شدند. سپس آجرها به مدت حدود 24 ساعت در هوا خشک شدند و سپس به مدت 24 ساعت در کوره خشک کن با دمای 110 درجه سانتیگراد خشک شدند، سپس در کوره تونلی در دمای 1710 درجه سانتیگراد زینتر شدند. چرخه کامل پخت و سرد کردن تا دمای اتاق 120 ساعت به طول انجامید. پس از تف جوشی (زینترینگ)، تخلخل ظاهری، چگالی ظاهری، استحکام خرد شدن سرد و مدول گسیختگی گرم نمونه ها تعیین شد. بوته های آزمایشی با آسیاب سوراخ دار به قطر 40 میلی متر و ارتفاع 40 میلی متر در بالای آجرها ساخته شدند. 80 گرم سرباره فولادی گاز زدا RH به ترتیب در بوته ها پر شد. مشخصات سرباره در جدول 3 آورده شده است. سپس بوته ها به مدت 3 ساعت تا دمای 1600 درجه سانتیگراد گرم شدند. میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM: S-4800FESEM) برای مشخص کردن ریزساختار نمونه‌ها انجام شد.

نتایج و بحث

تاثیر بر خواص

شکل‌های 1، 2 و 3 اثر محتوای ZrO2 را بر تخلخل ظاهری (AP)، چگالی ظاهری (BD)، قدرت خرد شدن سرد (CCS) و مدول گسیختگی گرم (HMOR) در 1400 درجه سانتی‌گراد نشان می‌دهند. از سنگدانه های آجر نسوز منیزیت کرومیتی حاوی افزودنی های ZrO2، به ترتیب نشان داده شده است که چگالی، قدرت خرد شدن سرد، و مدول گسیختگی گرم آجر نسوز منیزیت کرومیتی را می توان با افزودن ZrO2 تا حد زیادی بهبود بخشید. هنگامی که محتوای ZrO2 کمتر از 2.5 درصد بود، درجه چگالش و استحکام خرد شدن سرد (CCS) با افزایش محتوای ZrO2 به شدت افزایش یافت و زمانی که محتوای ZrO2 2.5 جرم بود به حداکثر می‌رسید. روند مشابهی برای همان مدول گسیختگی داغ (HMOR) مشاهده شد. این را می توان به عوامل زیر در نظر گرفت.

فرآیند پخت در ترکیب MgO-Cr2O3 با تشکیل اسپینل پیچیده همراه با متراکم شدن همراه است. از یک طرف، پودرهای ریز ZrO2 اضافه شده می توانند حجم منافذ را با پر کردن فضاهای بین ذرات در آجر نسوز منیزیت کرومیتی کاهش دهند. از سوی دیگر، پودرهای ریز که در لبه‌های ذرات MgO-Cr2O3 توزیع می‌شوند، به دلیل فعال‌سازی سطحی، در دماهای پایین‌تر با آن‌ها پیوند برقرار می‌کنند[3]. بنابراین، فرآیند تف جوشی (زینترینگ) دیرگداز تسریع شد. و با توجه به گزارش تحقیق شده [4،5]، ZrO2 ممکن است مجموعه فاز مرزی دانه و مورفولوژی دانه ها را تغییر دهد، بنابراین زاویه دو وجهی را کاهش دهد. این اثر می تواند تماس دانه و دانه و در نهایت تشکیل پیوند مستقیم را افزایش دهد. مقدار بیشتری از افزودنی ZrO2 باعث افزایش تراکم و همچنین پیوند دانه به دانه می شود که مسئول بهبود استحکام در دمای بالا است. این تمایل باعث تسریع تراکم و بهبود مدول مقاومت در برابر گسیختگی در دمای بالا می شود. جدای از اثر افزودنی‌های ZrO2، با افزایش بار، تشکیل ترک اولیه در فاز اول در فاز دوم غیر مشابه متوقف می‌شود که منجر به شکستگی دیررس سنگدانه‌های آجر نسوز منیزیت کرومیتی می‌شود. با این حال، ZrO2 اضافه شده نمی تواند به خوبی در اسپینل MgO-Cr2O3 یا MgO حل شود تا یک محلول جامد تشکیل دهد، اگر ZrO2 اضافه شده بیش از مقدار مورد نیاز برای واکنش با MgO باشد، قسمت اضافی فرآیند پخت در منیزیم-کروم و ترکیب بندی را مختل می کند. بنابراین، کنترل محتوای ZrO2 برای تراکم مواد آجر نسوز منیزیت کرومیتی بسیار مهم است چراکه  بر رفتار مقاومت در برابر خوردگی سرباره اثرگذار است.. آجر نسوز منیزیت کرومیتی ترکیب شده با ZrO2 عملکرد خوبی در برابر خوردگی سرباره نشان دادند. هیچ تغییر شکل، ترک، یا پوسته پوسته شدن پس از آزمایش مشاهده نشد به جز اینکه مقداری چسبندگی سرباره روی آجر رخ داد. سرباره گاز زدا RH کمی به داخل نمونه ها نفوذ کرد و حدود نیمی از سرباره هنوز در بوته با شکل بیضی شفاف باقی ماند. در مقابل، هنگامی که آنها در همان شرایط سرباره تجربی فرسایش یافتند، آجر نسوز منیزیت کرومیتی بدون ZrO2 توسط سرباره گاززدایی RH به طور جدی‌تری نفوذ کردند. تقریباً تمام سرباره به داخل نمونه ها نفوذ کرد.

شکل 5 ریزساختار آجر نسوز منیزیت کرومیتی را بدون و با خوردگی ZrO2 (نمونه Z3) توسط سرباره گاززدایی RH نشان می دهد. در شکل 5، دانه های MgO و دانه های MgO-Cr2O3 توسط فازهای سیلیکات احاطه شده بودند. با این حال، مقدار فازهای سیلیکات در شکل 5 (الف) بیشتر از شکل 5 (b) بود و متوسط اندازه دانه‌های MgO-Cr2O3 در شکل 5 (a) کوچکتر از شکل 5 بود. 5(b)، که نشان می دهد که خوردگی MgO-Cr2O3 در شکل 5(a) جدی تر است.

مقدار   CaO/SiO2 در نقطه مشخص شده در شکل 5(b) 0.886 بود، مقدار CaO/SiO2  در نقطه مشخص شده در شکل 5 (a) 1.289 بود، که نشان می دهد ویسکوزیته در اینجا کمی بیشتر از در نقطه مشخص شده در شکل 5 (الف) است. ترکیب شیمیایی نقطه با علامت “1” در شکل 5 (ب) عبارت بود از: CaO 29.8٪، ZrO2 66.4٪، و MgO 1.3٪ که مشابه ترکیب CaZrO3 بود. قسمت سفید در شکل 5(b) ناحیه فعلی ZrO2 است. بنابراین می توان در نظر گرفت که آجر نسوز منیزیت کرومیتی با حضور افزودنی ZrO2 توسط سرباره پالایشی RH با غلظت کم SiO2 و نسبت بالای CaO/SiO2 مورد حمله قرار می گیرند، رفتار مقاومت به خوردگی می تواند این باشد که ZrO2 در دانه های پریکلاز مرز به سرعت با CaO در سرباره واکنش نشان می دهد و لایه CaZrO3 را تولید می کند، که می تواند مواد را استحکام بخشد و مانع از کانال نفوذ سرباره شود. در عین حال، واکنش باعث جذب CaO در سرباره می شود و می تواند منجر به کاهش نسبت CaO/SiO2 و افزایش ویسکوزیته سرباره شود، این یک مزیت برای مقاومت سرباره آجر نسوز منیزیت کرومیتی است.

نتیجه گیری

(1) ادغام ZrO2 خواص فیزیکی آجر نسوز منیزیت کرومیتی را بهبود می بخشد. هنگامی که محتوای ZrO2 حدود 2.5 گرم بود، تخلخل ظاهری نمونه های نسوز به حداقل چگالی ظاهری، قدرت خرد شدن سرد، و مدول گرم حداکثر گسیختگی تمایل داشت. (2) در سیستم سرباره گاززدایی RH با نسبت بالای کلسیم به سیلیس، رفتار مقاومت سرباره کامپوزیت آجر نسوز منیزیت کرومیتی با ZrO2 را می توان به صورت زیر توصیف کرد: ZrO2 با CaO واکنش می دهد و ترکیب CaZrO3 را تشکیل می دهد که لایه متراکم و به طور همزمان، می تواند عملکرد مقاومت در برابر خوردگی را با کور کردن منافذ و ضخیم شدن ویسکوزیته سرباره افزایش دهد.

برای دسترسی به بروزترن مقالات مرتبط با صنایع فولاد، نفت، گاز و پتروشیمی مارا دنبال کنید.

جهت کسب اطلاعات بیشتر و دریافت خدمات و محصولات با ما در تماس باشید.